Результат интеллектуальной деятельности: ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах СВЧ-фильтрации радиосигналов систем сотовой связи, спутникового телевидения, радиолокации и т.п.

В задачах выделения высокочастотных и СВЧ-сигналов сегодня широко используются интегральные операционные усилители со специальными элементами RC-коррекции, формирующими амплитудно-частотную характеристику резонансного типа [1, 2]. Однако классическое построение таких избирательных усилителей (RC-фильтров) сопровождается значительными энергетическими потерями, которые идут в основном на обеспечение статического режима достаточно большого числа транзисторов, образующих операционный усилитель СВЧ-диапазона [1, 2]. В этой связи достаточно актуальной является задача построения СВЧ-избирательных усилителей ИУ на двух-трех транзисторах, обеспечивающих выделение узкого спектра сигналов с достаточно высокой добротностью резонансной характеристики Q=2÷10 и f₀=1÷5 ГГц.

Известны схемы усилителей, интегрированных в архитектуру RC-фильтров на основе транзисторов, которые обеспечивают формирование амплитудно-частотной характеристики коэффициента усиления по напряжению в заданном диапазоне частот Δf=f_в-f_н [3-28]. Причем их верхняя граничная частота f_в иногда формируется инерционностью транзисторов схемы (емкостью на подложку), а нижняя f_н определяется корректирующим конденсатором.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является избирательный усилитель (ИУ), представленный в патенте US 4267518 fig.6. Он содержит источник сигнала 1, связанный со входом устройства 2, первый 3 входной транзистор, эмиттер которого через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 5 шиной источника питания, а коллектор подключен ко второй 6 шине источника питания, второй 7 токостабилизирующий двухполюсник, первый 8 резистор коллекторной нагрузки, связанный с выходом устройства 9, первый 10 корректирующий конденсатор.

Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что оно не обеспечивает высокую добротность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и коэффициент усиления по напряжению К₀>1 на частоте квазирезонанса (f₀).

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении добротности АЧХ усилителя (Q) и его коэффициента усиления по напряжению (К₀) на частоте квазирезонанса f₀. Это позволяет в ряде случаев уменьшить общее энергопотребление ИУ и реализовать высококачественное избирательное устройство СВЧ-диапазона с f₀=1÷5 ГГц.

Поставленная задача решается тем, что в избирательном усилителе фиг.1, содержащем источник сигнала 1, связанный со входом устройства 2, первый 3 входной транзистор, эмиттер которого через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 5 шиной источника питания, а коллектор подключен ко второй 6 шине источника питания, второй 7 токостабилизирующий двухполюсник, первый 8 резистор коллекторной нагрузки, связанный с выходом устройства 9, первый 10 корректирующий конденсатор, предусмотрены новые элементы и связи - что второй 7 токостабилизирующий двухполюсник включен между второй 6 шиной источника питания и входом первого 11 токового зеркала, общий эмиттерный выход которого подключен ко входу устройства 2 и источнику сигнала 1, токовый выход соединен со входом второго 12 токового зеркала, согласованного по общему эмиттерному выходу со второй 6 шиной источника питания, первый 8 резистор коллекторной нагрузки, включенный между выходом устройства 9 и первой 5 шиной источника питания, второй 13 корректирующий конденсатор, включенный по переменному току параллельно первому 8 резистору коллекторной нагрузки, причем выход 9 устройства связан с базой первого 3 входного транзистора, а последовательно с первым 10 корректирующим конденсатором, включенным между эмиттером первого 3 входного транзистора и входом первого 11 токового зеркала, включен частотно-задающий резистор 14.

Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения для случая, когда вход устройства 2 согласован с первой 5 шиной источника питания.

На фиг.3 показана схема ИУ фиг.2 с конкретным выполнением первого 11 и второго 12 токовых зеркал.

На фиг.4 представлена схема ИУ по п.2 формулы изобретения, в котором между источником сигнала 1 и входом 2 устройства включен дополнительный эмиттерный повторитель на входном транзисторе 15 и токостабилизирующем двухполюснике 16.

На фиг.5 приведена схема ИУ фиг.4 в среде Cadence на моделях SiGe транзисторов (npnVs, W=2, L=2, техпроцесс SGB25VD, Iк.max=6 мА), а на фиг.6 - логарифмические амплитудно-частотные характеристики ИУ фиг.5 при разных значениях коэффициента передачи по току второго 12 токового зеркала K_i=K_i12=1÷1,5.

На фиг.7 показаны логарифмические амплитудно- и фазочастотные характеристики ИУ фиг.5 в более мелком масштабе.

Избирательный усилитель фиг.2 содержит источник сигнала 1, связанный со входом устройства 2, первый 3 входной транзистор, эмиттер которого через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник связан первой 5 шиной источника питания, а коллектор подключен ко второй 6 шине источника питания, второй 7 токостабилизирующий двухполюсник, первый 8 резистор коллекторной нагрузки, связанный с выходом устройства 9, первый 10 корректирующий конденсатор. Второй 7 токостабилизирующий двухполюсник включен между второй 6 шиной источника питания и входом первого 11 токового зеркала, общий эмиттерный выход которого подключен ко входу устройства 2 и источнику сигнала 1, токовый выход соединен со входом второго 12 токового зеркала, согласованного по общему эмиттерному выходу со второй 6 шиной источника питания, первый 8 резистор коллекторной нагрузки, включенный между выходом устройства 9 и первой 5 шиной источника питания, второй 13 корректирующий конденсатор, включенный по переменному току параллельно первому 8 резистору коллекторной нагрузки, причем выход 9 устройства связан с базой первого 3 входного транзистора, а последовательно с первым 10 корректирующим конденсатором, включенным между эмиттером первого 3 входного транзистора и входом первого 11 токового зеркала, включен частотно-задающий резистор 14. В данной схеме вход устройства 2 согласован с первой 5 шиной источника питания.

На фиг.3 показана схема ИУ фиг.2 с конкретным выполнением первого 11 и второго 12 токовых зеркал, которые реализованы на основе классических решений на основе р-n перехода 17 и транзистора 16.

На фиг.4, в соответствии с п.2 формулы изобретения, между источником сигнала 1 и входом 2 устройства включен дополнительный эмиттерный повторитель, содержащий входной транзистор 15 и токостабилизирующий двухполюсник 16.

Рассмотрим работу ИУ фиг.2.

Источник входного переменного сигнала u_вх (1) через локальный коэффициент передачи К_у первого 11 токового зеркала изменяет входной ток i₁₁=i_R первого 11 токового зеркала, причем характер проводимости его входной цепи (частотно-задающий резистор 14 и первый 10 корректирующий конденсатор) обеспечивает увеличение этого тока с ростом частоты f входного сигнала. Первое 11 и второе 12 токовые зеркала масштабно преобразуют этот ток в выходной ток i₁₂ цепи нагрузки ИУ. Комплексный характер этой нагрузки (первый 8 резистор коллекторной нагрузки и второй 13 корректирующий конденсатор) обеспечивает необходимую частотную зависимость выходного напряжения (выход устройства 9) ИУ, поэтому совокупность частотной зависимости входного тока i₁₁=i_R и выходного напряжения ИУ обеспечивают необходимый (резонансный) вид его амплитудно-частотной характеристики, которая имеет максимум на частоте квазирезонанса f₀. Соединение базы первого 3 входного транзистора с выходом устройства 9 приводит к изменению напряжения его эмиттера и вследствие комплексности проводимости эмиттерной цепи - к дополнительному изменению входного тока i₁₁=i_R первого 11 токового зеркала, который и изменяет синфазный ток i₁₂ цепи нагрузки ИУ. Глубина этой обратной связи максимальна на частоте квазирезонанса (f₀), и, следовательно, ее действие направлено на увеличение добротности Q и коэффициента передачи К₀. Причем эта глубина непосредственно определяется коэффициентами передачи токовых зеркал 11 и 12 без изменения f₀.

Покажем аналитически, что более высокие значения К₀ и Q в диапазоне высоких частот реализуются в схеме фиг.2.

Действительно, комплексный коэффициент передачи по напряжению ИУ фиг.2 определяется по формуле:

где

τ₁=C₁₀(R₁₄+h_11.3+r₁₁);

τ₂=R₈C₁₃,

на частоте квазирезонанса f₀,

где r₁₁ - входное сопротивление токового зеркала 11; K_i11, K_i12 - коэффициенты передачи по току токовых зеркал 11 и 12; h_11.3 - входное дифференциальное сопротивление (h-параметр) первого 3 входного транзистора в схеме с общей базой.

Анализ соотношений (2)-(4) показывает, что коэффициенты передачи по току К_i11 и K_i12 независимо от соотношений частотозадающих резисторов R₁₄ и R₈ определяют численные значения добротности Q и коэффициента усиления К₀ ИУ. При этом частота квазирезонанса f₀ остается неизменной.

Показанный на фиг.3 вариант реализации ИУ характеризуется простейшими токовыми зеркалами 11 и 12. В этом случае

где r_d17 - дифференциальное сопротивление р-n перехода 17.

Поэтому параметры ИУ (3), (4) будут определяться из следующих соотношений:

Изменение принципа реализации ИУ фиг.4 в первую очередь осуществлено с целью согласования его входной цепи с источником входного сигнала 1, повышения уровня его максимального входного напряжения. С этой целью, как показано на фиг.4, используется дополнительный повторитель напряжения на базе транзистора 15 и источника тока 16. В этом случае вход ИУ имеет потенциальное управление, а дополнительные свойства входной цепи следуют из соотношений:

где φ_T=kT/q - температурный потенциал эмиттерных переходов транзисторов 15 и 16, К_у - коэффициент усиления дополнительного повторителя напряжения на транзисторе 15.

Таким образом, варианты реализации заявляемой структуры ИУ (фиг.3 и 4) обеспечивают решение задачи повышения добротности Q и коэффициента усиления К₀ с учетом частных особенностей данных схем.

Данные теоретические выводы подтверждают графики фиг.6 и 7.

Таким образом, заявляемое схемотехническое решение характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления К₀ на частоте квазирезонанса f₀ и повышенными величинами добротности Q, характеризующей его избирательные свойства.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Design of Bipolar Differential OpAmps with Unity Gain Bandwidth up to 23 GHz / N.Prokopenko, A.Budyakov, K.Schmalz, C.Scheytt, P.Ostrovskyy // Proceeding of the 4-th European Conference on Circuits and Systems for Communications - ECCSC'08 /- Politehnica University, Bucharest, Romania: July 10-11, 2008. - pp.50-53.

2. СВЧ СФ-блоки систем связи на базе полностью дифференциальных операционных усилителей / Прокопенко Н.Н., Будяков А.С., К.Schmalz, С.Scheytt // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2010. Сборник трудов / под общ. ред. академика РАН А.Л.Стемпковского. - М.: ИППМ РАН, 2010. - С.583-586.

3. Патент WO/2006/077525.

4. Патент US 4.267.518, fig.6.

5. Патент RU 2101850 fig.1.

6. Патент WO/2007/022705.

7. Патентная заявка US 2006/0186951 fig.3.

8. Патентная заявка US 2007/0040604 fig.3.

9. Патент WO/03052925 A1 fig.3.

10. Патент US 6.011.431 fig.4.

11. Патент US 5.331.478 fig.3.

12. Патент US 4.885.548 fig.9.

13. Патент US 4.974.916 fig.1.

14. Патентная заявка US 2008/0122530 fig.4.

15. Патент US 5.298.802.

16. Патент US 2009/0261899 fig.3.

17. Патент CN 101204009.

18. Патент ЕР 1844547.

19. Патент UA 17276.

20. Патент US 2009/0289714 fig.4.

21. Патент US 7.202.762.

22. Патент US 6.188.272.

23. Патент US 5.847.605.

24. Патент US 7.116.961.

25. Патентная заявка US 2011/0109388 fig.2.

26. Патентная заявка US 2006/0186951 fig.2.

27. Патент US 5.012.201 fig.2.

28. Патентная заявка US 2010/0201437 fig.2.